[論文レビュー] Post-injection aseismic slip as a mechanism for the delayed triggering of seismicity

Alexis Sáez, Brice Lecampion|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2022

earthquake and tectonic studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、3次元の断層系において、注入後、非地震的すべりがパルス状の破壊として伝播し、流体注入が終了した後も長期間にわたり持続することを提案する。水圧力学的モデルを用いて、臨界に応力がかかっている断層が、注入時間よりも数個数量級長い期間にわたりすべり伝播を維持できることを示した。破壊は、停止時のサイズのほぼ2倍にまで達することがあり、これは地熱エネルギーや炭素隔離などの地質エネルギー事業における遅延的・遠方的地震活動を説明するメカニズムを提供する。

ABSTRACT

Injection-induced aseismic slip plays an important role in a broad range of human-made and natural systems, from the exploitation of geo-resources to the understanding of earthquakes. Recent studies have shed light on how aseismic slip propagates in response to continuous fluid injections. Yet much less is known about the response of faults after the injection of fluids has stopped. In this work, we investigate via an hydro-mechanical model the propagation and ultimate arrest of aseismic slip during the so-called post-injection stage. We show that after shut-in, fault slip propagates in pulse-like mode. The conditions that control the propagation as a pulse and notably when and where the ruptures arrest are fully established. In particular, critically-stressed faults can host rupture pulses that propagate for several orders of magnitude the injection duration and reach up to nearly double the size of the ruptures at the moment of shut-in. We consequently argue that the persistent stressing of increasingly larger rock volumes caused by post-injection aseismic slip is a plausible mechanism for the triggering of post-injection seismicity -- a critical issue in the geo-energy industry. We discuss evidence that supports this mechanism based on documented cases of post-injection-induced seismicity.

研究の動機と目的

• 流体注入が停止した後の注入後段階における非地震的すべりの伝播および停止メカニズムを理解すること。
• 注入後における非地震的すべりが、現場事例で観測された遅延的地震活動を説明できるかどうかを評価すること。
• 3次元水圧力学的系における、停止後の故障すべりおよび応力再分配の空間時間的変化を定量化すること。
• 特にトラフィックライトシステムを含む地質エネルギープロジェクトにおける地震リスク管理へのこのメカニズムの影響を評価すること。
• 注入後における非地震的すべりが遠方的・遅延的地震イベントを引き起こす駆動要因として、物理的根拠に基づく枠組みを確立すること。

提案手法

• 境界要素法を用いて、流体の流れと断層すべりダイナミクスを連成する3次元水圧力学的モデルの構築。
• 破壊伝播の上限として、無条件安定性を保証する一定摩擦係数を採用し、破壊伝播の保守的上限を確保。
• 流体注入のシミュレーションとその後の停止を実施し、時間経過に伴うすべりおよび応力場の変化を追跡。
• 故障の臨界性を定量化するための応力注入パラメータ 𝒯 を用い、その注入後すべり伝播への影響を評価。
• パルス状モードでの破壊伝播を分析し、走行距離および停止時刻に注目。
• 既知の注入後地震事例と比較することで、提案されたメカニズムの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元断層系において、流体注入が停止した後、非地震的すべりはどのように伝播するか？
• RQ2 注入後における非地震的破壊の停止は、タイミングおよび空間的範囲において何によって制御されるか？
• RQ3 注入後における非地震的すべりが、どれほど遠くの断層部分に応力を与え、地震活動を誘発できるか？
• RQ4 応力注入パラメータ 𝒯 で定量化される故障の臨界性は、注入後のすべり事象の持続時間およびサイズにどのように影響するか？
• RQ5 このメカニズムは、地熱および炭素隔離事業における注入停止後の遅延的地震活動を説明できるか？

主な発見

• 注入後における非地震的すべりは、パルス状モードで伝播し、注入終了後も破壊フロントが進行する。
• 臨界応力状態にある断層では、破壊伝播が注入時間よりも最大数個数量級長い期間にわたり継続することができる。
• 最大の破壊走行距離は、停止時の破壊サイズのほぼ2倍に達する。
• 注入後におけるすべりが、次第に大きな岩石体に応力を与えることにより、遅延的地震活動の妥当なメカニズムが提供される。
• このメカニズムは、応力注入パラメータ 𝒯 が大きな故障で特に有効であり、臨界応力状態を示している。
• モデルは破壊伝播の上限を表しており、破壊エネルギーの散逸および摩擦的回復を無視しているため、実際の伝播を短くする要因が存在するが、それらを除いた上限としての解釈である。